Бионика представляет собой удивительную междисциплинарную науку, которая находится на стыке биологии и техники. Её ключевая задача — заимствовать у живой природы идеи, принципы и решения, отточенные эволюцией на протяжении сотен тысяч лет, и адаптировать их для нужд современной техники и инженерии. У природы действительно есть чему поучиться: до сих пор человеческая мысль не способна создать столь миниатюрные, компактные, высокочувствительные и безотказные устройства, которые обладают колоссальным запасом прочности, надёжности и способностью к взаимозаменяемости элементов. Эти качества, присущие биологическим системам, остаются недостижимым идеалом для многих технологий.
Мозг как прототип для вычислительных систем
Особый интерес для бионики представляет изучение устройства и принципов работы мозга, а также отдельных нервных клеток (нейронов). При огромном количестве элементов человеческий мозг занимает объём всего около 1,5 литра. Если попытаться создать машину, имитирующую его функции, то для размещения всех необходимых компонентов потребовалась бы площадь в тысячи кубических метров. Это ставит перед учёными и инженерами важнейший вопрос: как сделать подобные системы компактнее? Ведь устройства, аналогичные памяти животных, и «думающие» машины крайне необходимы для развития кибернетики, автоматизации процессов управления и производства.
Биологические анализаторы — источник вдохновения
Каждый сенсорный орган животных — будь то глаз, ухо, органы осязания, обоняния или вкуса — представляет собой уникальный по конструкции и принципу действия «прибор». Изучение их строения и функционирования даёт мощный импульс для развития самых разных направлений техники, промышленности и других сфер человеческой деятельности.
Примеры технологий, созданных по образу и подобию природы
Зрение: Глаз способен воспринимать как отдельные кванты света, так и интенсивные световые потоки, а также регулировать чёткость изображения с различных расстояний. На основе этих принципов создаются современные следящие системы с функцией автоматического распознавания объектов.
Термо- и электрорецепция: Термочувствительный орган некоторых змей способен улавливать изменения температуры окружающей среды всего на 0,2°C, а электрические органы ската или угря реагируют на разницу потенциалов в доли микровольта, что помогает им находить добычу. По аналогии с этими механизмами человек создаёт приборы, предупреждающие о пожарах или других опасных явлениях, связанных с колебаниями температуры и электрического потенциала.
Акустика: Некоторые медузы с помощью специальных органов улавливают инфразвуковые колебания, а летучие мыши, бабочки, совы и дельфины активно используют ультразвук для поиска добычи и навигации. Эти природные принципы легли в основу приборов, предупреждающих о приближении шторма, а также различных локаторов и сонаров.
Строение живых организмов и инновационные материалы
Изучение строения животных и растений, а также их отдельных органов, находит прямое практическое применение. Например, раскрытие секрета структуры кожи дельфинов помогло увеличить скорость кораблей на 20% за счёт снижения сопротивления воды. Архитектура костей животных и строение стебля злаковых растений (например, соломы) подсказали инженерам, как создавать лёгкие и при этом чрезвычайно прочные конструкции. Достижения в области биосинтеза и биоэнергетики, в свою очередь, помогают проектировать безотходные, экономичные и быстродействующие технологические линии, замыкая производственные циклы по аналогии с природными экосистемами.